Определение пыли.
Аэрозоль представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной средой является газ, в частности воздух, а дисперсной фазой – твердые или жидкие частицы. Наиболее мелкие (тонкие) аэрозольные частицы по размерам близки к крупным молекулам, а для наиболее крупных наибольший размер определяется их способностью более или менее длительное время находиться во взвешенном состоянии. Обычно речь идет о частицах размером до 100–200 мкм, а по некоторым представлениям – до 500 мкм[U4].
Различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твердых и жидких веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных паров, а также в результате газовых реакций.
Дисперсионные частицы обычно значительно грубее, чем конденсационные, обладают большей полидисперсностью, имеют неправильную форму. Конденсационные аэрозоли имеют часто правильную шарообразную или кристаллическую форму и при коагуляции, сливаясь, снова получают шарообразную форму.
К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы.
Пылями называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами, независимо от дисперсности. Пылью обычно также называют совокупность осевших частиц (гель или аэрогель).
Часто бывает затруднительно провести четкую границу между различными видами аэрозолей. Объясняется это тем, что аэрозольные системы состоят из частиц различного происхождения. Происходит к тому же непрерывное взаимодействие этих частиц, осаждение малых частиц на более крупные и т. д. Аэрозольная система не находится в неизменном состоянии. В результате взаимодействия частиц происходит их укрупнение, разрушение конгломератов, осаждение частиц и т.д.
Аэрозоли обычно полидисперсны, т.е. содержат частицы различных размеров.
В технике и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с веществами, находящимися в измельченном состоянии и воздух приходится очищать от такого вида аэрозоля, как пыль, поэтому большинство систем очистки предназначено для улавливания пыли.
Пыль может быть классифицирована по нескольким признакам, в том числе по своему происхождению, т.е. по материалу, из которого она образована.
В зависимости от происхождения различают пыль естественного происхождения и промышленную. Первая образуется в результате процессов, не связанных непосредственно с процессом производства, хотя во многих случаях имеется взаимосвязь между этим видом пылеобразования и хозяйственной деятельностью человека.
К пыли естественного происхождения относят пыль, образующуюся в результате эрозии почвы (на этот процесс, конечно, влияет деятельность человека), а также пыль, возникающую при выветривании горных пород, пыль космического происхождения и т.д. Естественное происхождение имеют также органические пылевидные частицы – пыльца, споры растений. К образующейся в результате эрозии почвы, обветривания горных пород и т.п. близка по составу пыль, возникающая при выветривании строительных конструкций, дорог и других сооружений.
С пылью естественного происхождения приходится сталкиваться главным образом при решении вопросов очистки приточного воздуха перед поступлением его в вентилируемые помещения.
В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической и неорганической.
В свою очередь, органическая пыль бывает растительного (древесная, хлопковая, мучная, табачная, чайная и т.д.) и животного (шерстяная, костяная и др.) происхождения.
Неорганическая пыль подразделяется на минеральную (кварцевая, цементная и др.) и металлическую (стальная, чугунная, медная, алюминиевая и др.).
Основные свойства пыли
Основные свойства пыли:
1) дисперсность;
2) плотность частиц;
3) удельная поверхность;
4) слипаемость;
5) сыпучесть;
6) гигроскопичность;
7) смачиваемость;
8) абразивность;
9) электрические свойства;
10) горючесть и врываемость.
Дисперсность пыли. Дисперсность – степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц пыли по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данная пыль, и массу или количество частиц соответствующего размера.
Дисперсность в значительной мере определяет свойства пыли. В результате измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано в основном тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его суммарная поверхность. Например, при измельчении тела, имеющего форму куба и размеры 10x10x10 мм, и превращении его в частицы кубической формы размером 1 мкм, суммарная поверхность материала возрастет в 10 000 раз и станет равной 6 м2 (вместо 600 мм2).
В результате резкого увеличения суммарной поверхности вещества повышается поверхностная энергия, что влечет за собой увеличение физической и химической активности. Очень быстро и интенсивно протекают реакции окисления этих веществ. О повышении физической активности говорит, например, то, что измельченные вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный материал.
Во взвешивающей газообразной среде присутствует влага, пары кислот, щелочей. В результате их поглощения свойства частиц отличаются от свойств исходного материала.
Дисперсный состав характеризует пыль с различных сторон. Кроме физических и химических свойств дисперсный состав определяет в значительной мере характер и условия распространения пыли в воздушной среде. Мелкодисперсная пыль осаждается значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Таким образом, рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом пыли. Важнейший вопрос пылеулавливания – выбор пылеулавливающего оборудования – решается главным образом на основании дисперсного состава пыли.
Дисперсный состав пыли имеет первостепенное значение для разработки и совершенствования пылеулавливающих аппаратов и систем, а также для осуществления мероприятий по предотвращению выделения пыли и ее распространению.
Дисперсный состав определяют лабораторными исследованиями пыли с использованием различных методов.
Нужно выразить размер пылевой частицы таким образом, чтобы он был наиболее характерен. Пылевые частицы обычно имеют неправильную форму.
Имеется несколько способов выражения размеров пылевых частиц:
- по диаметру частицы 
;
- по размеру в свету наименьших размеров ячеек сита, через которые проходят данные частицы;
- по диаметру шарообразных частиц, имеющих такую же массу;
- по наибольшему линейному размеру частиц неправильной формы;
- по диаметру условных шарообразных частиц, обладающих при одинаковой плотности скоростью витания, равной скорости витания данной пылевой частицы.
Точно размер частицы может быть выражен диаметром шарообразной частицы. Однако частицы такой формы практически не встречаются. Поэтому для выражения размера частицы пользуются понятиями эквивалентный диаметр, седиментационный диаметр и др.
Эквивалентный диаметр частицы неправильной формы 
– диаметр шара, объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь которого одинакова с площадью проекции частицы.
Седиментационный диаметр частицы 
– диаметр шара, скорость оседания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы неправильной формы.
Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 
до 
см. Нижний предел определяется возможностью длительного самостоятельного существования весьма малых частиц; верхний предел ограничен тем, что крупные частицы весьма быстро осаждаются под действием сил тяжести и во взвешенном состоянии практически не наблюдаются.
Весь диапазон размеров частиц разбивают на фракции. Фракция объединяет пылевые частицы, находящиеся в пределах одного интервала размеров рекомендуемой шкалы. Например, применяют следующую шкалу размеров пылевых частиц: 1 – 1,3 – 1,6– 2,0 – 2,5 – 3,2 – 4,0 – 5,0 – 6,3 – 8,0 –13 – 16 – 20 – 25 – 32 – 40 – 50 – 63 мкм.
Дисперсный состав пыли определяют на основе лабораторных исследований. Выбор метода определяется видом пыли, требуемой точностью, наличием соответствующего оборудования и др.
Применяют следующие основные методы определения дисперсного состава пыли:
- ситовый анализ – разделение частиц на фракции путем последовательного просеивания навески пыли через лабораторные сита с отверстиями различных размеров;
- седиментометрия – разделение навески пыли на фракции путем ее осаждения в жидкой или газообразной среде;
- микроскопический анализ – рассмотрение пылевых частиц с помощью оптического или электронного микроскопа, определение формы частиц, их размера и количества по фракциям;
- центробежная сепарация – разделение пыли на фракции с помощью центробежной силы в специальном аппарате.
Плотность частиц пыли. Плотность – масса единицы объема, 
.
Различают истинную, кажущуюся и насыпную плотность частиц пыли.
Истинная плотность представляет собой массу единицы объема вещества, из которого образована пыль.
Кажущаяся плотность – это масса единицы объема частиц, включая объем закрытых пор. Кажущаяся плотность монолитной частицы равна истинной плотности данной частицы.
Насыпная плотность – масса единицы объема уловленной пыли, свободно насыпанной в емкость. В объем, занимаемый пылью, входят внутренние поры частиц и промежуточное пространство между ними.
Под удельной поверхностью пыли понимают отношение поверхности всех частиц к их массе или объему.
Значение удельной поверхности позволяет судить о дисперсности пыли.
Слипаемость пыли. Взаимодействие пылевых частиц между собой называется аутогезией. Аутогенным воздействием вызывается образование конгломератов пыли, Взаимодействие пылевых частиц с поверхностями называется адгезией.
Обычно, когда речь идет о взаимодействии пылевых частиц между собой, явления аутогезии именуют слипаемостью. Она обусловлена силами электрического, молекулярного и капиллярного происхождения. Устойчивая работа пылеулавливающего оборудования во многом зависит от слипаемости пыли.
В качестве показателя слипаемости принимают прочность пылевого слоя на разрыв, Па.
Слипаемость возрастает с уменьшением размера частиц.
Сыпучесть характеризует подвижность частиц пыли относительно друг друга и их способность перемещаться под действием внешней силы. Сыпучесть зависит от размера частиц, их влажности и степени уплотнения.
Гигроскопичностью пыли называется ее способность поглощать влагу из воздуха. Поглощение влаги оказывает влияние на такие свойства пыли, как электрическая проводимость, слипаемость, сыпучесть и др.
Равновесие между относительной влажностью воздуха и влажностью материала выражает изотерма сорбции. Пользуясь изотермой сорбции, можно судить о поведении пыли в аппаратах, емкостях для пыли, пылепроводах.
Содержание влаги в пыли выражает влагосодержание или влажность. Влагосодержание – отношение количеству Влаги в пыли к количеству абсолютно сухой пыли. Влажность – отношение количества влаги в пыли ко всему количеству пыли.
На смачивании пыли распыленной водой основано мокрое пылеулавливание. Смачиваемость пыли определяет возможность ее гидроудаления, при менение мокрой пылеуборки.
Абразивность – способность пыли вызывать истирание стенок конструкций и аппаратов, с которыми соприкасается пылегазовый поток. Она зависит от твердости и плотности вещества, из которого образовалась пыль, размера частиц, их формы, скорости потока. При значительной абразивности пыли воздуховоды, газоходы, стенки пылеулавливающих аппаратов выходят из строя в весьма короткий срок. Абразивность пыли нужно учитывать при выборе материала и толщины стенок каналов для перемещения пылегазовых потоков и аппаратов для очистки этих потоков, а также при необходимости ограничивать скорость движения потоков. В ряде случаев применяют специальные облицовочные защитные материалы.
Считают, что износ металлических элементов вследствие абразивности пыли возрастает по мере увеличения размера частиц вплоть до 90 мкм, а затем, по мере дальнейшего увеличения размера, он уменьшается.
Электрические свойства оказывают значительное влияние на поведение пылевых частиц. Электрические силы во многом определяют процесс коагуляции, устойчивость пылевых агрегатов, взрывоопасность пыли, ее воздействие на живые организмы. Электрические свойства пыли должны быть учтены при решении вопросов, связанных с очисткой газов (воздуха) от пыли, в первую очередь с работой электрофильтров. Данные об электрических свойствах улавливаемой пыли могут быть использованы для оптимизации работы электрофильтров, эффективность и устойчивость которых непосредственно зависят от этих свойств. С их учетом при необходимости осуществляется предварительная подготовка (кондиционирование) газов перед очисткой в электрофильтре.
Остановимся на основных электрических свойствах пыли – на удельном электрическом сопротивлении и электрическом заряде пыли.
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризует электрическую проводимость слоя пыли. УЭС равно сопротивлению прохождения электрического тока через куб пыли со стороной, равной 1 м [ 
].
Электрическое сопротивление пыли обусловлено поверхностной и объемной проводимостью. Поверхностный слой пылинок по своим электрическим свойствам отличается от основной массы вследствие того, что на поверхности адсорбируются влага и газы.
Объемная (внутренняя) проводимость определяется проводимостью материала частицы. Она возрастает с повышением температуры в результате повышения энергии электронов.
При комнатной температуре пыль адсорбирует из воздуха влагу. Поверхностная проводимость повышается, сопротивление понижается. По мере повышения температуры происходит испарение влаги и сопротивление возрастает. Затем, при дальнейшем повышении температуры до 90–180 °С, благодаря тепловому возбуждению электронов вещества происходит уменьшение сопротивления. Рассматриваемая кривая отражает два вида электропроводимости – поверхностную и объемную. Таким образом, зная зависимость между температурой и сопротивлением, можно в определенных пределах воздействовать на проводимость пыли.
УЭС пыли зависит также от химического состава, размера и упаковки частиц.
Электрический заряд пыли. Пылевая, как и другая аэрозольная частица, может иметь один или несколько электрических зарядов или быть нейтральной. Аэрозольная система может иметь в своем составе частицы, заряженные положительно, отрицательно, нейтральные. Соотношение этих частиц определяет суммарный заряд системы.
Пылевые частицы получают электрический заряд как в процессе образования, так и после образования, находясь во взвешенном состоянии, в результате взрыва, диспергирования, взаимного трения, трения о воздух, а также вследствие адсорбции ионов при ионизации среды. Последний способ электризации является основным для взвешенных частиц.
Электрическое состояние аэрозольной системы не остается постоянным по времени. В результате взаимодействия друг с другом и с окружающей средой взвешенные частицы получают заряд, отдают его, нейтрализуются.
Электрические свойства пыли оказывают определенное воздействие на устойчивость аэрозоля, а также на характер воздействия пылевых частиц на живой организм.
По данным некоторых гигиенистов, пылевые частицы, имеющие электрический заряд, в два раза интенсивнее задерживаются в дыхательных путях, чем нейтральные.
Частицы, имеющие одноименные заряды, при взаимодействии отталкиваются, разноименные – притягиваются. Взаимодействие двух тел, размерами которых можно пренебречь, описывается законом Кулона. При высокой концентрации частиц во взвешивающей среде кулоновские силы способствуют процессам коагуляции.
Горючесть и взрываемость пыли. Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли. Ни в чем так не проявляется отличие физико–химических свойств пыли от свойств твердых веществ, из которых она образована, как в ее пожаро– и взрывоопасность. Такие вещества, как зерно и сахар, хотя и способны сгорать при определенных условиях, не являются взрывоопасными. Будучи приведенными в пылевидное состояние, они становятся не только пожароопасными, но и взрывоопасными.
Коагуляция пыли
Аэрозоль – неустойчивая система. Он подвержен постоянным изменениям. С течением времени в аэрозоле происходит укрупнение взвешенных частиц. Этот процесс носит название коагуляции (агрегирования, агломерации); он происходит в результате взаимодействия частиц под влиянием различного рода физических факторов. Наибольшая роль в коагуляции принадлежит молекулярным силам и силам электрического притяжения.
С точки зрения обеспыливания воздуха (газов) коагуляция весьма полезное явление, так как благодаря укрупнению пылевых частиц повышается эффективность их улавливания. Мелкодисперсная пыль, плохо или совсем не улавливаемая в более простых аппаратах, может быть задержана ими после коагуляции. Соединение и укрупнение частиц происходит при слипании их вследствие столкновения под действием гравитационных сил, сил инерции, броуновского движения, взаимного притяжения и т.д. Параллельно с процессом образования агломератов происходит процесс разрушения образовавшихся укрупненных частиц.
Коагуляция будет происходить тем интенсивнее, чем больше вероятность столкновения аэрозольных частиц. Эта вероятность увеличивается под действием указанных выше факторов. Мелкие частицы в большей степени подвержены коагуляции, чем крупные. Ускоряется также коагуляция при повышении концентрации пылевых частиц в газовой среде.
Имеет место естественная коагуляция, когда этот процесс происходит под действием естественных сил, т.е. в основном за счет броуновского движения и гравитационных сил, и искусственная коагуляция, когда этот процесс интенсифицируют, применяя дополнительные факторы, например турбулизацию запыленного потока, его искусственную ионизацию и акустическую обработку. Процесс коагуляции в результате ускоряется во много раз, так как вероятность столкновения и взаимодействия частиц во много раз увеличивается.
Скорость коагуляции аэрозольных частиц подчиняется закону:
где 
– концентрация частиц [ 
] в некоторый момент времени 
, с; 
– начальная концентрация частиц, ; 
– константа коагуляции, 
.
Скорость убывания счетной концентрации частиц в результате процесса коагуляции определяется из выражения:
где 
– скорость коагуляции, соответствует числу встреч частиц в единице объема в единицу времени, 
.
Из выражения следует, что в начальный момент, когда концентрация частиц велика, коагуляция происходит с большей скоростью, но затем ее скорость быстро падает.
Тепловая (броуновская) коагуляция. В основе броуновской коагуляции лежит броуновское (хаотическое, беспорядочное) движение весьма малых частиц – до 0,1 мкм.
Процесс тепловой (броуновской) коагуляции мало зависит от природы пылевых частиц. Коагуляция происходит тем быстрее, чем больше диапазон размеров частиц, так как имеет место процесс поглощения крупными частицами мелких. Увеличение скорости коагуляции за счет полидисперсности, по сравнению с коагуляцией монодисперсной пыли, не превышает 10%.
Скорость тепловой коагуляции повышается с увеличением абсолютной температуры дисперсной среды. Скорость коагуляции малых частиц также возрастает с повышением давления.
Замечено, что дисперсность пыли в технологических газах, поступающих на очистку, обычно выше, чем в источнике пылеобразования. Это можно объяснить тем, что броуновская коагуляция происходит почти мгновенно.
Градиентная коагуляция. Градиентная коагуляция обусловлена наличием градиента скорости в потоке запыленных газов. Наиболее характерным примером является течение газов около твердой стенки канала. В соответствии с законами гидравлики частица вблизи стенки движется с меньшей скоростью, чем частица, находящаяся ближе к продольной оси канала. Контакт частиц возможен, если расстояние между ними меньше суммы их размеров. Действие градиентной коагуляции ограничивается в основном пристенным слоем. Поэтому она играет существенную роль при значительной длине каналов и большой поверхности, по которой происходит контакт.
Турбулентная коагуляция. Скорость коагуляции частиц в дисперсной среде может быть искусственно повышена путем турбулизации аэрозоля. Вихревое движение среды, возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность столкновения частиц и, следовательно, повышает скорость коагуляции.
Турбулизацию пылегазовых потоков осуществляют для укрупнения пылевых частиц и повышения благодаря этому эффективности очистки. Вихревое движение, возникающее вследствие турбулизации, увеличивает вероятность столкновения и, следовательно, укрупнения частиц. Применяют специальные турбулизирующие устройства, которые располагаются перед пылеуловителями или непосредственно в них.
Кинематическая коагуляция. Процесс кинематической коагуляции происходит при относительном движении частиц различного размера под действием внешних сил – силы гравитации, центробежных сил и др. Частицы различного размера движутся с различными скоростями. Вследствие этого происходит их столкновение и укрупнение. Примером кинематической коагуляции является осаждение частиц на каплях, находящихся под действием силы тяжести (этот процесс называется также гравитационной коагуляцией). Кинематическая коагуляция происходит также при встречном движении распыленной воды и аэрозоля в мокрых пылеуловителях.
Электрическая коагуляция. Как отмечено выше, пылевые частицы во многих случаях имеют электрический заряд – положительный или отрицательный. Между заряженными частицами, а также между заряженными и незаряженными частицами возникают силы взаимодействия. Это в значительной мере определяет поведение частиц. Частицы сталкиваются, слипаются, образуя агрегаты.
Между частицами действуют следующие электрические силы взаимодействия: кулоновская сила притяжения или отталкивания, возникающая между двумя заряженными частицами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга; сила индукции между заряженной частицей и соседней незаряженной; сила взаимодействия между заряженной частицей и другими частицами с тем же знаком; сила внешнего электрического поля (если оно имеется).
Электрическая коагуляция используется в технике пылеулавливания. Применяют электрофильтры–коагуляторы, которые конструктивно представляют собой упрощенный электрофильтр. Принципы электрической коагуляции используются также при искусственной ионизации газопылевых потоков с целью укрупнения пылевых частиц.
Акустическая коагуляция. Пылегазовый поток проходит через акустическое поле, создаваемое источником звука и ультразвука. При определенных параметрах поля и характеристиках пылегазового потока вследствие колебания среды значительно возрастает число столкновений между пылевыми частицами, что приводит к их слипанию, т.е. к укрупнению пыли. Акустическая обработка осуществляется с целью повышения эффективности пылеулавливания.
